大型磨齿机砂轮架回转装置及其回转控制方法.pdf

本发明提供一种大型磨齿机砂轮架回转装置及其回转控制方法，包括转筒、回转座、主轴、双导程消隙蜗轮副、圆光栅、砂轮架、夹紧机构以及卸荷机构。主轴与回转座用螺栓牢靠固定，转筒通过一组滚动轴承支撑在主轴上，砂轮架与转筒直接相连，通过双导程消隙蜗轮副驱动，实现回转，旋转位置由圆光栅控制，并可通过夹紧机构锁紧在回转座上。本发明可以满足大型磨齿机砂轮架高刚性支撑、平稳灵活运动以及精确定位的要求。

权利要求书
1.  一种大型磨齿机砂轮架回转装置，其特征在于：该砂轮架回转装置包括转筒(1)、回转座(2)、主轴(3)、砂轮架(6)、用于定位砂轮架回转角度的若干个夹紧机构(8)以及用于在砂轮架回转中由回转座的前端面下部向外顶推砂轮架的若干个卸荷机构(9)，所述主轴(3)固定在回转座(2)上，转筒(1)通过一组高刚性轴承支撑在主轴(3)上，砂轮架(6)的后端面与转筒(1)相连，回转座(2)的前端面与砂轮架(6)的后端面相对并构成滑动导轨副。

2.  根据权利要求1所述一种大型磨齿机砂轮架回转装置，其特征在于：所述砂轮架回转装置还包括双导程消隙蜗轮副(4)，伺服电机通过双导程消隙蜗轮副驱动转筒回转。

3.  根据权利要求2所述一种大型磨齿机砂轮架回转装置，其特征在于：所述伺服电机为抱闸电机，所述双导程消隙蜗轮副(4)安装在远离砂轮架(6)重心一侧。

4.  根据权利要求1所述一种大型磨齿机砂轮架回转装置，其特征在于：所述砂轮架回转装置还包括设置在主轴(3)前端的用于控制砂轮架旋转位置的圆光栅(5)。

5.  根据权利要求4所述一种大型磨齿机砂轮架回转装置，其特征在于：所述一组高刚性轴承包括设置于主轴(3)上的圆锥滚子轴承(24)以及双列圆柱滚子轴承(23)，圆锥滚子轴承(24)设置在主轴(3)的后端，双列圆柱滚子轴承(23)设置在圆锥滚子轴承(24)与所述圆光栅(5)之间，转筒(1)通过双列圆柱滚子轴承(23)与圆锥滚子轴承(24)组成的轴承组支撑在主轴(3)上。

6.  根据权利要求1所述一种大型磨齿机砂轮架回转装置，其特征在于：所述回转座(2)为双层筋板筒状结构，回转座(2)的前端面开设有径向沟槽(20)，所述沟槽(20)将回转座的前端面均匀分割为多份，夹紧机构(8)布置在分割后的回转座的前端面对应区域内，所述沟槽(20)中设置有压缩空气释放管路。

7.  根据权利要求1所述一种大型磨齿机砂轮架回转装置，其特征在于：所述夹紧机构(8)包括设置于回转座的前端内的夹紧油缸(18)、设置于夹紧油缸内的相互配合的夹紧机构活塞(17)和碟簧(16)，以及与夹紧机构活塞相连的夹紧拉杆(7)，砂轮架(6)的后端面上开设有环状T型槽(19)，所述夹紧拉杆前端为圆弧状T型结构(25)，夹紧拉杆(7)由回转座的前端面伸出，夹紧 拉杆(7)的前端插入环状T型槽(19)中并与环状T型槽形成间隙配合。

8.  根据权利要求1所述一种大型磨齿机砂轮架回转装置，其特征在于：所述卸荷机构(9)包括设置在回转座前端内底部的体壳(11)、设置在体壳内的卸荷机构活塞(12)，以及与卸荷机构活塞相连的顶杆(13)，顶杆(13)的前端设置有可以与砂轮架(6)的后端面相对滚动的卸荷滚动轴承(15)，卸荷滚动轴承(15)由回转座的前端面伸出或收回，体壳(11)内的前端设置有活塞限位台阶，体壳(11)内的后端设置有与顶杆后端配合的活塞定位销(10)，经过预紧的碟簧(14)设置于卸荷机构活塞(12)与卸荷滚动轴承(15)之间。

9.  一种如权利要求1所述大型磨齿机砂轮架回转装置的回转控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)利用所述夹紧机构(8)将砂轮架(6)沿预定角度位置定位并夹紧在回转座(2)上；
2)当需要重新转动砂轮架(6)时，所述夹紧机构(8)停止夹紧砂轮架(6)，然后在回转座(2)的前端面释放压缩空气，同时，所述卸荷机构(9)向外顶推砂轮架(6)，然后驱动转筒(1)带动砂轮架(6)转动，当砂轮架(6)转动至新的预定角度位置后，使卸荷机构(9)停止顶推砂轮架(6)，同时，停止在回转座(2)的前端面释放压缩空气，然后按照步骤1)对砂轮架(6)进行定位并夹紧。

说明书大型磨齿机砂轮架回转装置及其回转控制方法
技术领域
本发明属于数控机床领域，具体涉及一种大型磨齿机砂轮架回转装置及其回转控制方法。
背景技术
磨齿机砂轮架上安装有磨削主轴，修整装置及其他附件，负载不对称，处于偏重状态。磨削斜齿轮时，砂轮架需要回转一定角度，使砂轮磨削切入方向与齿槽螺旋角相适应，这样更加剧了负载的不对称，尤其磨削大型齿轮时，由于齿轮模数大，齿深大，所用成形砂轮直径达500毫米，厚度130毫米，磨削负载大。要克服偏重引起的负载扭矩及磨削扭矩，需要砂轮架支撑机构具有非常高的刚性，才能保证磨削精度稳定性。另外，在大型齿轮精密磨削过程中，需要砂轮磨削切入角度作微量精确调整，这需要砂轮架回转机构具有高灵敏度及精确的位置控制精度。
现有磨齿机砂轮架回转装置，要么采用第一种方案：伺服电机直联减速器驱动主轴带动砂轮架回转；要么采用第二种方案：力矩电机直接驱动。
第一种方案中，伺服电机需要承受非常大的负载惯量，并且由于结构限制，驱动砂轮架回转的主轴直径较小，砂轮架回转直径是主轴直径的数倍，在拖动砂轮架回转过程中，主轴承受非常大的扭转负载，在生产实践中常出现砂轮架在回转过程中抖动的现象。
第二种方案中，采用力矩电机直接驱动，转台轴承支撑。力矩电机在静止状态，输出扭矩急速下降，在磨削过程中，砂轮架静止，力矩电机对砂轮架的支撑性能降低。另外，回转座悬伸较长，台面轴承安装在回转座前端，砂轮架上的负载直接通过台面轴承作用在回转座前端，而回转座支撑位于后端，这样使得回转座承受较大的弯曲扭矩，影响磨削精度。
对于大型磨齿机，砂轮架负载大，依靠一个转台轴承支撑回转，难以满足高刚性要求。圆光栅通过一根中间轴安装在回转座后端，距离控制目标远，由于安装误差，以及中间轴的偏摆，精度较差，难以实现高精度、高灵敏度控制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大型磨齿机砂轮架回转装置及其回转控制方法。
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种大型磨齿机砂轮架回转装置，该砂轮架回转装置包括转筒、回转座、主轴、砂轮架、用于定位砂轮架回转角度的若干个夹紧机构以及用于在砂轮架回转中由回转座的前端面下部向外顶推砂轮架的若干个卸荷机构，所述主轴固定在回转座上，转筒通过一组高刚性轴承支撑在主轴上，砂轮架的后端面与转筒相连，回转座的前端面与砂轮架的后端面相对并构成滑动导轨副。
所述砂轮架回转装置还包括双导程消隙蜗轮副，伺服电机通过双导程消隙蜗轮副驱动转筒回转。
所述伺服电机为抱闸电机，所述双导程消隙蜗轮副安装在远离砂轮架重心一侧。
所述砂轮架回转装置还包括设置在主轴前端的用于控制砂轮架旋转位置的圆光栅。
所述一组高刚性轴承包括设置于主轴上的圆锥滚子轴承以及双列圆柱滚子轴承，圆锥滚子轴承设置在主轴的后端，双列圆柱滚子轴承设置在圆锥滚子轴承与所述圆光栅之间，转筒通过双列圆柱滚子轴承与圆锥滚子轴承组成的轴承组支撑在主轴上。
所述回转座为双层筋板筒状结构，回转座的前端面开设有径向沟槽，所述沟槽将回转座的前端面均匀分割为多份，夹紧机构布置在分割后的回转座的前端面对应区域内，所述沟槽中设置有压缩空气释放管路。
所述夹紧机构包括设置于回转座的前端内的夹紧油缸、设置于夹紧油缸内的相互配合的夹紧机构活塞和碟簧，以及与夹紧机构活塞相连的夹紧拉杆，砂轮架的后端面上开设有环状T型槽，所述夹紧拉杆前端为圆弧状T型结构，夹紧拉杆由回转座的前端面伸出，夹紧拉杆的前端插入环状T型槽中并与环状T型槽形成间隙配合。
所述卸荷机构包括设置在回转座前端内底部的体壳、设置在体壳内的卸荷机构活塞，以及与卸荷机构活塞相连的顶杆，顶杆的前端设置有可以与砂轮架的后端面相对滚动的卸荷滚动轴承，卸荷滚动轴承由回转座的前端面伸出或收回，体壳内的前端设置有活塞限位台阶，体壳内的后端设置有与顶杆后端配合的活塞定 位销，经过预紧的碟簧设置于卸荷机构活塞与卸荷滚动轴承之间。
上述大型磨齿机砂轮架回转装置的回转控制方法，包括以下步骤：
1)利用所述夹紧机构将砂轮架沿预定角度位置定位并夹紧在回转座上；
2)当需要重新转动砂轮架时，所述夹紧机构停止夹紧砂轮架，然后在回转座的前端面释放压缩空气，同时，所述卸荷机构向外顶推砂轮架，然后驱动转筒带动砂轮架转动，当砂轮架转动至新的预定角度位置后，使卸荷机构停止顶推砂轮架，同时，停止在回转座的前端面释放压缩空气，然后按照步骤1)对砂轮架进行定位并夹紧。
本发明的有益效果体现在：
本发明中的砂轮架直接由主轴支撑，可以提高砂轮架支撑刚性，提升回转速度及回转精度，本发明中主轴和回转座刚性连接，砂轮架负载可以刚性传递到回转座后端，靠近回转座支持部位，实现力的刚性传递，避免了回转座的扭曲变形，本发明中主轴固定，转筒转动，在有限的空间内可以实现最大的驱动力臂，本发明中卸荷机构将砂轮架后端面导轨底部微微顶出，使砂轮架后端导轨面压力分布均匀，同时结合压缩空气气动卸荷，使砂轮架回转平稳、流畅，因而，本发明可以满足大型磨齿机砂轮架高刚性支撑，平稳灵活运动，以及精确定位的要求。
进一步的，本发明中圆光栅安装在主轴前端，位于砂轮架导轨面，阿贝误差小，可以获得更高的控制精度。
进一步的，本发明中，回转座端面导轨分割成若干份，所述夹紧机构布置在分割后的回转座的前端面对应区域内，在夹紧时夹紧拉杆与环状T型槽四周结合面可以获得更高的接触强度，提高了夹紧效果，避免了采用整体导轨面夹紧时，夹紧力不均及零件加工误差造成的回转精度丢失问题。
进一步的，本发明中夹紧拉杆端部采用圆弧状T型结构，拉紧状态时，接触面积比普通T型结构大一倍，可提高夹紧力。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明所述夹紧机构与卸荷机构分布示意图；
图3为本发明所述卸荷机构的结构示意图；
图4为本发明所述夹紧机构的结构示意图；
图5为本发明所述夹紧拉杆的圆弧状T型结构的结构示意图；
图6为本发明所述回转座的结构示意图；
图7为本发明所述砂轮架的结构示意图；
图中：转筒1、回转座2、主轴3、双导程消隙蜗轮副4、圆光栅5、砂轮架6、夹紧拉杆7、夹紧机构8、卸荷机构9、活塞定位销10、体壳11、卸荷机构活塞12、顶杆13、碟簧14、卸荷滚动轴承15、碟簧16、夹紧机构活塞17、夹紧油缸18、环状T型槽19、沟槽20、卸荷机构伸缩孔21、夹紧机构伸缩孔22、双列圆柱滚子轴承23、圆锥滚子轴承24、圆弧状T型结构25。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
参见图1～图7，本发明所述大型磨齿机砂轮架回转装置包括转筒1、回转座2、主轴3、砂轮架6、圆光栅5、双导程消隙蜗轮副4、用于定位砂轮架回转角度的若干个夹紧机构8以及用于在砂轮架回转中由回转座的前端面下部向外顶推砂轮架的若干个卸荷机构9，所述主轴3固定在回转座2上，所述圆光栅5设置在主轴3前端，砂轮架旋转位置由圆光栅控制，圆光栅5靠近砂轮架6，减小了阿贝误差，真实可靠的反馈砂轮架实际位置，提高了控制精度。主轴3上设置有圆锥滚子轴承24以及双列圆柱滚子轴承23，圆锥滚子轴承24设置在主轴3的后端，双列圆柱滚子轴承23设置在圆锥滚子轴承24与所述圆光栅5之间，转筒1通过双列圆柱滚子轴承23与圆锥滚子轴承24组成的轴承组支撑在主轴3上。砂轮架6的后端面与转筒1相连，回转座2的前端面与砂轮架6的后端面相对，构成滑动导轨副。伺服电机通过双导程消隙蜗轮副驱动转筒，实现砂轮架回转。所述伺服电机为抱闸电机，可在砂轮架回转到目标位置后锁住蜗杆，进一步提高刚度；根据受力分析，所述双导程消隙蜗轮副的蜗杆安装在远离砂轮架重心一侧，使负载扭矩施加在蜗杆上的力为轴向压力，提高稳定性。
所述回转座2为双层筋板圆筒状结构，回转座2的前端面沿径向方向开设有沟槽20，沟槽20将回转座的前端面均匀分割为多份，分割份数与所述夹紧机构数量相等，即所述夹紧机构8布置在分割后的回转座的前端面对应区域内，所述沟槽20中设置有压缩空气释放管路。所述夹紧机构8为液压夹紧、碟簧放松，包括设置于回转座2的前端内的夹紧油缸18、设置于夹紧油缸内的相互配合的 夹紧机构活塞17和碟簧16，以及与夹紧机构活塞相连的夹紧拉杆7，砂轮架6的后端面上开设有环状T型槽19，所述夹紧拉杆7前端为圆弧状T型结构25，夹紧拉杆7由回转座6的前端面伸出，夹紧拉杆7的前端插入所述环状T型槽19中并与环状T型槽形成间隙配合，砂轮架可通过夹紧机构锁紧在回转座上。所述卸荷机构9包括设置在回转座前端内底部的体壳11、设置在体壳内的卸荷机构活塞12，以及与卸荷机构活塞相连的顶杆13，顶杆13的前端设置有可以与砂轮架6的后端面相对滚动的卸荷滚动轴承15，卸荷滚动轴承15由回转座2的前端面伸出或收回，体壳11内的前端设置有活塞限位台阶，体壳11内的后端设置有与顶杆后端配合的活塞定位销10，经过预紧的碟簧14设置于卸荷机构活塞12与卸荷滚动轴承15之间。
上述大型磨齿机砂轮架回转装置的回转控制方法，包括以下步骤：
1)利用所述夹紧机构8将砂轮架6沿预定角度位置定位并夹紧在回转座2上；
2)当需要重新转动砂轮架6时，所述夹紧机构8停止夹紧砂轮架6，然后在回转座2的前端面释放压缩空气，同时，所述卸荷机构9向外顶推砂轮架6，然后驱动转筒1带动砂轮架6转动，当砂轮架6转动至新的预定角度位置后，使卸荷机构9停止顶推砂轮架6，同时，停止在回转座2的前端面释放压缩空气，然后按照步骤1)对砂轮架6进行定位并夹紧。
具体而言，砂轮架6需要转动时，所述夹紧机构8的夹紧油缸18中油压卸去，夹紧拉杆7随夹紧机构活塞17运动而向外伸出，使夹紧拉杆7前端放松，卸荷机构9中卸荷机构活塞12在油压作用下运动并带动顶杆13顶出，克服由于砂轮架重心靠前，在砂轮架回转导轨面下半部形成的压力，使砂轮架回转导轨面压力分布均匀，压缩空气从沟槽20中喷出，在砂轮架回转导轨面与回转座导轨面(即回转座前端面)之间形成气垫，准备工作完成后，伺服电机驱动双导程消隙蜗轮副4带动砂轮架6平稳回转，顶杆13端部的卸荷滚动轴承15贴着砂轮架后端导轨面滚动，在砂轮架回转过程中保证整个砂轮架回转导轨面压力分布均匀，砂轮架6转动到达目标位置后，压缩空气卸去，卸荷机构9压力油卸去，夹紧机构8内通入压力油，夹紧拉杆7动作，将砂轮架6锁紧在回转座2上，顶杆13收回。
实施例
如图1所示，一种大型磨齿机用砂轮架回转装置，包括转筒1、回转座2、主轴3、双导程消隙蜗轮副4、圆光栅5、砂轮架6、夹紧机构8以及卸荷机构9。主轴3与回转座2用螺栓紧固相连(刚性连接)。转筒1通过双列圆柱滚子轴承23和圆锥滚子轴承24支撑在主轴3上，砂轮架6与转筒1直接相连，转筒1通过双导程消隙蜗轮副4驱动，实现砂轮架回转，旋转位置由圆光栅5控制，并可通过夹紧机构8牢靠锁紧在回转座2上。砂轮架6直接用主轴3支撑，刚性高；主轴固定，轴承外圈转动，在有限的空间内可以实现最大的驱动力臂；圆光栅安装在主轴前端，靠近砂轮架导轨面，阿贝误差小，可以获得更高的控制精度。
如图1所示，主轴3和回转座2通过螺钉刚性连接。这样砂轮架6负载可以刚性传递到回转座后端，靠近回转座支持部位，实现力的刚性传递，避免了回转座的扭曲变形。
砂轮架需要转动时，夹紧机构8中油压卸去，夹紧拉杆7放松，卸荷机构9中顶杆13顶出，砂轮架回转导轨面压力分布均匀，压缩空气从回转座2导轨面的沟槽中喷出，在回转导轨面之间形成气垫，准备工作完成后，伺服电机驱动双导程消隙蜗轮副4带动砂轮架平稳回转，到达目标位置后，压缩空气卸去，卸荷机构9压力油卸去，夹紧机构8通入压力油，夹紧拉杆7动作，将砂轮架锁紧在回转座2上。
如图2、图3所示，在回转座2前端底部对称安装有砂轮架回转负载卸荷机构9，卸荷机构9包括活塞定位销10、体壳11、卸荷机构活塞12、顶杆13、碟簧14以及卸荷滚动轴承15。夹紧机构8放松后，体壳11中通入压力油，卸荷机构活塞12运动到达体壳内部的限位台阶，此时碟簧14压缩，顶杆13顶出，顶杆13端部的卸荷滚动轴承15贴着砂轮架后端导轨面滚动，将砂轮架下端贴合导轨面与回转座导轨面脱开，使整个砂轮架回转导轨面压力分布均匀，保证砂轮架回转平稳流畅。
砂轮架整体成悬伸状态，导致回转座与砂轮架之间导轨贴合面下半部负载大，如果夹紧拉杆松开后砂轮架就开始回转，由于导轨面之间压力大，分布不均，容易产生抖动，会导致回转导轨面咬合、拉毛。增加卸荷机构后，当夹紧拉杆放松后，卸荷机构将砂轮架微微顶出，使整个回转导轨面压力分布均匀，再通入压 缩空气，砂轮架便可灵活运转。
如图4所示，夹紧机构8为液压夹紧，碟簧放松。夹紧时，夹紧油缸18中通入液压油，夹紧机构活塞17带动夹紧拉杆7向后运动实现夹紧，同时压缩碟簧16，为放松运动储备能量。采用液压夹紧，夹紧力恒定无波动，力度可调，克服了碟簧夹紧力在磨削激振下的弹性变形。
如图5所示，夹紧拉杆7端部为圆弧状T型结构，比普通矩形T型槽结构的拉杆夹紧面积增大一倍，夹紧更可靠。
如图6所示，所述回转座2为双层筋板圆筒状结构，其端面沿径向方向开有沟槽，将导轨面均匀分割为多份，分割数量与夹紧机构8数量相等，并且沟槽中有压缩空气管路。
双层筋板圆筒状结构抗扭转刚度高，在大负载磨削情况下，可以有效支撑砂轮架，提高系统刚性；端面分割成多份，使夹紧时拉杆四周结合面可以获得更高的接触强度，提高了夹紧效果，避免了整体加紧时，夹紧力不均及零件加工误差造成的回转精度丢失问题。沟槽中加工压缩空气管路，砂轮架回转时通入压缩空气，形成气垫，保证砂轮架平稳回转无爬行，提高了回转灵敏度，并且可以防止异物进入导轨面。
如图7所示，砂轮架6后端面开有环状T型槽，夹紧拉杆7端部的圆弧状T型结构插入环状T型槽中形成间隙配合。
夹紧机构8在回转座上为圆形分布。